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Science新成果!贝士德仪器水蒸气吸附等温线/动力学数据助力质子交换膜离子传输性能研究

Science新成果!贝士德仪器水蒸气吸附等温线/动力学数据助力质子交换膜离子传输性能研究

发布日期:2021-09-10 来源:贝士德仪器 点击量:152

      纳米通道中的离子传输对能量存储和转换的应用至关重要。各种材料包括聚合物,如Nafion(杜邦公司),金属有机框架(MOFs),生物衍生材料和二维材料已被开发用于质子交换膜。目前普遍采用的美国杜邦公司生产的Nafion膜在较高的相对湿度(RH)下的质子电导率可达0.2 S·cm-1。然而,在高温(>80℃)和/或低湿条件下,Nafion膜由于在高温时失水而导致导电率迅速下降,不能满足质子交换膜燃料电池高温运行的性能要求,因此研究开发能够在高温下仍具有优异性能的质子交换膜势在必行。
 
      有鉴于此,沈阳材料科学国家研究中心研究员任文才与中科院院士成会明带领的研究团队,在《Science》上发表的题为“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”的研究中制备出一类由二维过渡金属磷硫化物(MPX3,其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等,X = S 或 Se)纳米片组装而成的膜,发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能。
      该研究首先通过K+插层交换获得含Cd空位的Cd0.85PS3K0.3,然后进行Li+插层交换,接着剥离,以获得Cd0.85PS3Li0.3纳米片。然后将Cd0.85PS3Li0.3纳米片完全浸泡在HCl溶液中来合成Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片。最后通过真空过滤从分散体中制备了独立的Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜。

      基于丰富的质子供体中心,比较容易的质子解吸,以及Cd空位诱导的良好的水合作用。90 ℃和98%相对湿度下,Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜的质子传导率达到了0.95 S cm−1,是目前已报道的水相质子传输材料的性能最高值,并且在低温、低湿条件下仍保持了很高的质子传导率。进一步研究发现, Cd空位不仅提供了大量的质子供体中心,而且使该薄膜具有优异的水合性质,且质子在水分子的存在下易于从空位处脱附,从而使薄膜表现出优异的质子传导特性。此外,研究人员发现,Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜同样具有超高锂离子电导率,证明了空位诱导离子快速传输的普适性。

      众所周知,质子交换膜中水含量及分布特性对质子传递具有极其关键的影响,所以,研究水在质子交换膜中的传递机理及膜中水含量具有极其重要的意义。文中使用BSD-DVS型动态重量法蒸汽吸附仪(原型号3H-2000PW, 贝士德仪器)测量了298 K下水蒸气的吸附-脱附等温线(98%RH下,Cd0.85PS3Li0.15H0.15和Cd0.85PS3Li0.3膜对水的吸收率分别为2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附动力学曲线(不同湿度下吸附平衡的时间),以此确定了膜的水合/脱水的平衡时间和不同湿度下水的吸附量,因此该测试为研究高质子传导率膜材料具有十分重要的意义。

BSD-VVS&DVS(3H-2000PW)系列多站重量法全功能蒸汽吸附仪
      多站重量法全功能蒸汽吸附仪,同时支持真空静态法和常压动态法的测试,近乎完美的满足了所有工况条件的测试。不但可以进行真空条件下的纯组份的吸附性能评价,还可以进行动态多组分竞争性吸附吸附评价。
      BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸汽吸附仪,属于研究级分析仪器,通过微量天平称量一定相对压力下样品吸脱附前后重量的变化来测定样品对特定蒸汽、气体的吸脱附量。
重量法相比容量法,不采用任何折中近似处理,不存在温区分布、气体非理想化校正等误差来源,直接获得吸附量,所以对于气体尤其是蒸汽的测试精度和准确度更高,另弥补了容量法无法测试实时等压吸附速率、无法准确描述材料吸附动力学特性的缺陷。BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸汽吸附仪,可测试材料对水蒸气、有机蒸汽及各种气体的吸附量,吸附速率等参数;在真空重量法蒸汽吸附仪中,为全球首款多站仪器,可支持1-8个分析站的同时分析,适用于对多种材料吸附性能进行研究开发的科研单位和企业用户,由于其独特的优势,重量法仪器在世界各地的高端实验室均有广泛的应用。
仪器主要功能:
  ◆ 真空/动态重量法蒸汽吸附
  ◆ 用于测试各种气体及蒸汽的吸附脱附等温线,如水蒸气,有机蒸气等
  ◆ 等压吸附及脱附速率(吸附动力学评价)
优势特点:
  ◆ 采用重量法定量,无温区及任何近似折中过程。
  ◆ 8工作站,高测试效率。
  ◆ 可进行等压吸附速率测试。
  ◆ 脱气时真空实时称量,活化更完全,更准确
仪器参数:
  ◆ 灵敏度/量程:1ug/2000mg(0.1ug可选)
  ◆ 动态称重范围:10~1000mg
  ◆ 分析位:2/4/8站
  ◆ 真空脱气温度:室温~400ºC

  ◆ 蒸汽分压P/P0控制范围:0.01%~99%


测试报告:




多站重量法全功能蒸气吸附仪产品链接: http://www.beishide.com/product/detail/4/15

文献链接:https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abb9704

Science新成果!贝士德仪器水蒸气吸附等温线/动力学数据助力质子交换膜离子传输性能研究

发布日期:2021-09-10 来源:贝士德仪器 点击量:152

      纳米通道中的离子传输对能量存储和转换的应用至关重要。各种材料包括聚合物,如Nafion(杜邦公司),金属有机框架(MOFs),生物衍生材料和二维材料已被开发用于质子交换膜。目前普遍采用的美国杜邦公司生产的Nafion膜在较高的相对湿度(RH)下的质子电导率可达0.2 S·cm-1。然而,在高温(>80℃)和/或低湿条件下,Nafion膜由于在高温时失水而导致导电率迅速下降,不能满足质子交换膜燃料电池高温运行的性能要求,因此研究开发能够在高温下仍具有优异性能的质子交换膜势在必行。
 
      有鉴于此,沈阳材料科学国家研究中心研究员任文才与中科院院士成会明带领的研究团队,在《Science》上发表的题为“CdPS3 nanosheets-based membrane with high proton conductivity enabled by Cd vacancies”的研究中制备出一类由二维过渡金属磷硫化物(MPX3,其中M = Cd、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Cr等,X = S 或 Se)纳米片组装而成的膜,发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能。
      该研究首先通过K+插层交换获得含Cd空位的Cd0.85PS3K0.3,然后进行Li+插层交换,接着剥离,以获得Cd0.85PS3Li0.3纳米片。然后将Cd0.85PS3Li0.3纳米片完全浸泡在HCl溶液中来合成Cd0.85PS3Li0.15H0.15纳米片。最后通过真空过滤从分散体中制备了独立的Cd0.85PS3Li0.3和Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜。

      基于丰富的质子供体中心,比较容易的质子解吸,以及Cd空位诱导的良好的水合作用。90 ℃和98%相对湿度下,Cd0.85PS3Li0.15H0.15膜的质子传导率达到了0.95 S cm−1,是目前已报道的水相质子传输材料的性能最高值,并且在低温、低湿条件下仍保持了很高的质子传导率。进一步研究发现, Cd空位不仅提供了大量的质子供体中心,而且使该薄膜具有优异的水合性质,且质子在水分子的存在下易于从空位处脱附,从而使薄膜表现出优异的质子传导特性。此外,研究人员发现,Cd0.85PS3Li0.3和Mn0.77PS3Li0.46薄膜同样具有超高锂离子电导率,证明了空位诱导离子快速传输的普适性。

      众所周知,质子交换膜中水含量及分布特性对质子传递具有极其关键的影响,所以,研究水在质子交换膜中的传递机理及膜中水含量具有极其重要的意义。文中使用BSD-DVS型动态重量法蒸汽吸附仪(原型号3H-2000PW, 贝士德仪器)测量了298 K下水蒸气的吸附-脱附等温线(98%RH下,Cd0.85PS3Li0.15H0.15和Cd0.85PS3Li0.3膜对水的吸收率分别为2.97 mol/mol和3.9 mol/mol)及吸附动力学曲线(不同湿度下吸附平衡的时间),以此确定了膜的水合/脱水的平衡时间和不同湿度下水的吸附量,因此该测试为研究高质子传导率膜材料具有十分重要的意义。

BSD-VVS&DVS(3H-2000PW)系列多站重量法全功能蒸汽吸附仪
      多站重量法全功能蒸汽吸附仪,同时支持真空静态法和常压动态法的测试,近乎完美的满足了所有工况条件的测试。不但可以进行真空条件下的纯组份的吸附性能评价,还可以进行动态多组分竞争性吸附吸附评价。
      BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸汽吸附仪,属于研究级分析仪器,通过微量天平称量一定相对压力下样品吸脱附前后重量的变化来测定样品对特定蒸汽、气体的吸脱附量。
重量法相比容量法,不采用任何折中近似处理,不存在温区分布、气体非理想化校正等误差来源,直接获得吸附量,所以对于气体尤其是蒸汽的测试精度和准确度更高,另弥补了容量法无法测试实时等压吸附速率、无法准确描述材料吸附动力学特性的缺陷。BSD-VVS&DVS 多站重量法全功能蒸汽吸附仪,可测试材料对水蒸气、有机蒸汽及各种气体的吸附量,吸附速率等参数;在真空重量法蒸汽吸附仪中,为全球首款多站仪器,可支持1-8个分析站的同时分析,适用于对多种材料吸附性能进行研究开发的科研单位和企业用户,由于其独特的优势,重量法仪器在世界各地的高端实验室均有广泛的应用。
仪器主要功能:
  ◆ 真空/动态重量法蒸汽吸附
  ◆ 用于测试各种气体及蒸汽的吸附脱附等温线,如水蒸气,有机蒸气等
  ◆ 等压吸附及脱附速率(吸附动力学评价)
优势特点:
  ◆ 采用重量法定量,无温区及任何近似折中过程。
  ◆ 8工作站,高测试效率。
  ◆ 可进行等压吸附速率测试。
  ◆ 脱气时真空实时称量,活化更完全,更准确
仪器参数:
  ◆ 灵敏度/量程:1ug/2000mg(0.1ug可选)
  ◆ 动态称重范围:10~1000mg
  ◆ 分析位:2/4/8站
  ◆ 真空脱气温度:室温~400ºC

  ◆ 蒸汽分压P/P0控制范围:0.01%~99%


测试报告:




多站重量法全功能蒸气吸附仪产品链接: http://www.beishide.com/product/detail/4/15

文献链接:https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abb9704